2. Вторичные источники электроэнергии

2.1. Выпрямители

Распределение электрической энергии в нашей стране производится на переменном

токе с частотой f=50 Гц. Вместе с тем аппаратура проводной связи большей частью

питается постоянным током различных напряжений. Поэтому возникает необходимость

преобразовать переменный ток в постоянный. Для этого можно использовать

электрические машины постоянного тока, но они имеют ряд недостатков: вращающиеся

части, создают шум, требуют специальных фундаментов и т.д. Поэтому после

разработки мощных силовых вентилей перешли от электрических машин к статическим

выпрямительным устройствам, т.е. выпрямителям. Они не требуют специальных

фундаментов, почти бесшумны, надежны в эксплуатации, легче могут быть

автоматизированы и во многих случаях экономичнее, чем электрические машины.

Выпрямителем называется статическое устройство, преобразующее переменный ток в

постоянный. В процессе эксплуатации выпрямитель должен отвечать ряду технических

требований. Основными из них являются:

1) заданные выпрямленное напряжение и мощность;

2) допустимый уровень пульсаций выпрямленного напряжения;

3) безопасность обслуживания;

4) удобство и надежность управления;

5) высокий КПД;

6) стабильность выпрямленного напряжения;

7) высокий коэффициент мощности;

8) надежная и быстродействующая защита от сверх токов и перенапряжений;

9) низкая стоимость технической эксплуатации;

10) малые габариты и вес устройства.

В общем виде выпрямитель состоит из 4-х основных звеньев (рис. 2.1).

Рис.2.1. Структурная схема одноканального выпрямителя

Трансформатор:

1) преобразует напряжение сети переменного тока в такое, которое необходимо для

получения заданного напряжения постоянного тока на выходе выпрямителя, которое,

как правило, не совпадает со стандартным напряжением питающей сети;

2) гальванически (электрически) развязывает рабочие цепи выпрямителя и нагрузку

от питающей сети и от других потребителей, т.е. делает их независимыми;

3) позволяет заземлять 1 полюс выпрямителя, что часто требует аппаратура связи.

Иногда трансформатор выпрямителя используется для умножения числа фаз. Для этого

число вторичных обмоток делается в два раза больше числа первичных обмоток. Это

делается для увеличения частоты пульсаций выпрямленного напряжения, а,

следовательно, для уменьшения коэффициента пульсаций. Кроме того, общая точка

фазных обмоток, соединенных в звезду на 2-ной стороне трансформатора, часто

служит одним из выходных полюсов выпрямителя, к которому подключается нагрузка.

Вентили обладают односторонней проводимостью и осуществляют преобразование

переменного тока в постоянный ток. Их количество в выпрямителе зависит от схемы

выпрямления. Каждая фаза выпрямителя имеет, по крайней мере, одно вентильное

звено. Но есть схемы, которые имеют по два и более вентильных звена на фазу.

Каждое вентильное звено должно иметь, по крайней мере, один вентиль. Но во

многих случаях для получения заданной величины тока или напряжения приходится

каждое вентильное звено составлять из нескольких вентилей, включаемых

последовательно, параллельно или более сложными группами.

Выпрямленное напряжение или ток после вентилей получается пульсирующим. Такой

ток можно представить, как состоящий из двух токов: постоянного тока и

наложенного на него переменного. При питании аппаратуры связи пульсирующим

постоянным током могут возникнуть серьезные помехи передаче сигналов связи. Т.к.

это недопустимо, то обычно принимают меры к снижению этой пульсации. Для этого

между вентилями и питаемой аппаратурой ставится сглаживающий фильтр. Выходное

напряжение выпрямителя зависит от величины питающего переменного напряжения, а

оно может меняться в пределах (-10...15%). Аппаратура связи чаще всего не

допускает такого значительного колебания напряжения, поэтому в современных

выпрямителях после фильтра ставят стабилизаторы напряжения, и если надо тока.

Помимо этих звеньев у всякого выпрямительного устройства есть аппаратура

коммутации, защиты и т.д.

Выпрямители бывают управляемыми и неуправляемыми. Неуправляемый выпрямитель не

позволяет регулировать выходное напряжение. Оно всегда определяется соотношением

U0 = K U2,

где: U0 – напряжение постоянного тока на выходе выпрямителя;

U2 – напряжение переменного тока на входе выпрямителя;

K – постоянный коэффициент схемы выпрямления.

Если при таком выпрямителе надо изменить напряжение на выходе, то приходится

менять напряжение на входе. В управляемых выпрямителях напряжение постоянного

тока на нагрузке можно менять в процессе работы выпрямителя, не меняя входное

напряжение, а воздействуя на режим работы выпрямителя.

Выпрямительные устройства можно классифицировать:

1) по схеме выпрямления – однофазные и многофазные, однополупериодные (однотактные)

и двухполупериодные (двухтактные);

2) по мощности – маломощные (до 100 Вт), средней мощности (до 5 кВт), мощные (свыше

5 кВт);

3) по частоте выпрямленного тока – промышленной частоты (50 Гц), повышенной

частоты (400 или 1000 Гц), высокой частоты (свыше 1000 Гц);

4) по напряжению – низкого (до 250 В), среднего (до 1000 В), высокого (свыше

1000 В);

5) по режиму рабочей нагрузки – длительная, импульсная, кратковременная;

6) по реакции нагрузки на выпрямитель – активная, индуктивная и емкостная

реакция.

Вентили и их параметры

Выпрямление переменного тока в постоянный ток осуществляется нелинейным

элементом – вентилем.

Вентиль – прибор, проводящий электрический ток преимущественно в одном

направлении. Он обладает большой проводимостью (т.е. малым сопротивлением) для

тока одного направления, и малой проводимостью (т.е. большим сопротивлением) для

тока одного направления. Направление, в котором вентиль обладает малым

сопротивлением, называется прямым, оно характеризуется величинами Rпр, Iпр, Uпр.

А направление, в котором вентиль обладает большим сопротивлением, называется

обратным и характеризуется величинами Rобр, Iобр, Uобр. Обозначение вентиля в

схеме приведена на рис. 2.2:

Рис. 2.2. Обозначение вентиля в схеме.

Напряжение от анода к катоду называется прямым, а от катода к аноду - обратным.

Различают идеальный и реальный вентили. Направление тока через вентиль и его

основные электрические свойства выражаются вольтамперной характеристикой (ВАХ) –

I = f (U).

У идеального вентиля Rпр=0, соответственно Uпр=0, а ток Iпр ничем не ограничен,

а Rобр=?,т.е. при любом Uобр величина Iобр=0.

Реальный вентиль обладает некоторым сопротивлением Rпр, поэтому для создания

заданной величины прямого тока Iпр к нему надо подвести определенную величину Uпр.

А в обратном направлении он обладает конечным Rобр, поэтому пропускает некоторый

обратный ток Iобр (рис. 2.3).

Вентили бывают ионными и электронными, управляемыми и неуправляемыми. В

настоящее время в основном применяются электронные полупроводниковые вентили –

селеновые, кремниевые, германиевые (неуправляемые) и кремниевые управляемые (тиристоры).

Рис. 2.3. Вольт-амперные храктеристика полупроводникового диода

Более современными являются германиевые и кремниевые вентили. Они допускают

большую плотность тока, чем селеновые и имеют меньшее Uпр при том же токе Iпр,

меньший ток Iобр при том же Uобр и большую величину Uобр.доп., чем селеновые.

Германиевые вентили применяются в основном в низковольтных выпрямительных

устройствах, т.к. у них Uпр в 2-3 раза меньше, чем у кремниевых.

Кремниевые вентили имеют Uобр.доп. больше и Iобр на 2-3 порядка меньше, чем

германиевые и могут применяться в мощных ВУТ при повышенной температуре.

Неуправляемые кремниевые вентили выпускаются на Iпр до 1000 А, при Uобр.доп. до

1000 В.

Кремниевые вентили бывают и управляемые – тиристоры. Они применяются в

управляемых выпрямителях. Это трех электродный прибор с четырехслойной

полупроводниковой структурой (рис. 2.4).

а) б)

Рис.2.4. Структура (а) и обозначение (б) тиристора

Кроме анода и катода, как у обычного диода, он имеет еще один вывод -

управляющий электрод (УЭ). Пока на УЭ не подан сигнал положительной полярности

ВАХ тиристора имеет вид, как показано на рис.2.5.

Тиристор не пропускает ток до тех пор, пока к его аноду приложено напряжение

меньше Uamax в это время через него проходит только очень маленький ток утечки Iут

(область 1), если Ua=Uamax, тиристор открывается (при токе Iвкл), и переходит в

область 2 – область устойчивой работы, тогда ток Iпр через него определяется

сопротивлением нагрузки.

Рис. 2.5. Вольт-амперная храктеристика полупроводникового тиристора:

1 – область непроводящего состояния в прямом направлении;

2 – область пробоя;

3 – область отрицательного сопротивления;

4 – область высокой проводимости;

5 – область непроводящего состояния в обратном направлении;

6 – область необратимого лавинного пробоя.

Если Iпр снизится до Iвык, тиристор самопроизвольно закроется. Область 3 - зона

неустойчивой работы тиристора. Область 4, как у любого диода, соответствует

запиранию тиристора при обратном напряжении. Если подать сигнал на УЭ, то

характеристика тиристора в области 1 и 3 изменится, т.е. при IY1>0 он откроется

при меньшем значении Uamax1, при увеличении IY до IY2>IY1. Uamax2 станет еще

меньше, т.е. тиристор откроется раньше. При достаточно большом IY ВАХ тиристора

приблизится к ВАХ обычного неуправляемого диода. Т.о. если тиристор включен в

цепь переменного напряжения, то в зависимости от величины тока IY он включится

при разных значениях Uamax. Если тиристоры включить вместо диодов в выпрямитель,

то на его выходе получится регулируемое напряжение. Когда тиристор открылся,

управляющее действие УЭ пропадает, и закрыть тиристор можно только обратным

напряжением или отключением от сети.

Выходные параметры выпрямителя

К выходным параметрам выпрямителя относятся:

1) среднее значение выпрямленного напряжения U0;

2) среднее значение выпрямленного тока I0;

3) частота пульсации основной гармоники выпрямленного напряжения fn;

4) коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения Kп;

5) внешняя характеристика выпрямителя - зависимость выходного напряжения U0 от

тока нагрузки I0 при постоянном напряжении на входе выпрямителя;

6) обратное напряжение Uобр, необходимое для подбора вентилей.

Для трансформаторов, работающих в схемах выпрямления, определяются следующие

параметры:

1) действующие значения напряжения и тока вторичной обмотки U2 и I2, т.к. их

принято сравнивать со средним значением (постоянной составляющей) выпрямленного

напряжения и тока;

2) действующие значения напряжения U1 и тока I1 первичной обмотки;

3) полная мощность вторичной обмотки S2;

4) полная мощность первичной обмотки S1;

5) полная (габаритная) мощность трансформатора Sтр=( S1+S2) / 2;

6) коэффициент использования вторичной обмотки трансформатора K2=P0/S2, где P0 –

выходная мощность выпрямителя;

7) коэффициент использования первичной обмотки трансформатора K1=P0/S1;

8) коэффициент использования трансформатора Kтр=P0 / Sтр.

Эти коэффициенты зависят от схемы выпрямления, так как при однотактном

выпрямлении в трансформаторе существует явление вынужденного намагничивания,

который сильно уменьшает коэффициент использования трансформатора.

Рассмотрим эти выходные параметры. По схеме выпрямления выпрямители бывают

однофазные и многофазные, однополупериодные (однотактные) и двухполупериодные (двухтактные).

Поэтому число фаз выпрямления m может не совпадать с числом фаз вторичной

обмотки трансформатора. Это число определяют из соотношения m=pn, где n – число

вторичных обмоток трансформатора (1, 2, 3, 6 и т.д.), а p – число выпрямленных

полупериодов (p=1 или 2). При определении однотактной или двухтактной схемы

исходят из того, сколько импульсов тока протекает через каждую фазную обмотку

вторичной ной цепи трансформатора за 1 период питающего напряжения. В

однотактном выпрямителе за 1 период через 1 фазную обмотку протекает 1 импульс

тока, а в двухтактном выпрямителе – 2. Таким образом, частота пульсаций

выпрямленного тока не совпадает с частотой питающей сети. Она равна fп=mfсети.

2.2. Однотактные схемы выпрямления

Однофазная однотактная схема выпрямления

Когда на аноде вентиля будет положительный потенциал, ток потечет через вентиль,

Rн и замкнется на вторичную обмотку трансформатора (рис. 2.6). Если U2=Sinwt, то

ток в нагрузке будет в виде полусинусоиды, такую же форму импульсов будет иметь

напряжение на нагрузке. Этот выпрямленный ток имеет постоянную составляющую I0,

представляющую собой среднее значение выпрямленного тока, протекающего за период

через нагрузку.

В однотактной схеме выпрямления имеют место следующие соотношения:

U0 = (/p)U2 = 0,45U2; (2.1)

I0 = (2/p)I2 = I2/1,57 = 0,637 I2. (2.2)

а) б)

Рис. 2.6.Однофазная однотактная схема выпрямления (а) и временные диаграммы (б)

Обратное напряжение, которое прикладывается к закрытому вентилю, равно амплитуде

приложенного 2-ного напряжения трансформатора, т.е.

UОБР = Um = pU0 = 3,14U0 =U2, (2.3)

то есть в 3 раза больше выпрямленного напряжения. Частота пульсаций

выпрямленного напряжения и тока в такой схеме fп = fс (т.к. m=1).

Трехфазная однотактная схема выпрямления

Она состоит из трехфазного трансформатора, вторичная обмотка которого соединена

“звездой”. Концы вторичных обмоток соединены в одну нулевую точку, а начала

подключены к анодам вентилей. Катоды всех вентилей соединены в общую точку и

образуют положительный полюс на выходе выпрямителя (рис. 2.7).

А нулевая точка трансформатора является отрицательным полюсом. Напряжения разных

фаз вторичной обмотки U2 сдвинуты по фазе на 2p/3.

Рис. 2.7. Трехфазная однотактная схема выпрямления

В любой момент времени откроется тот вентиль, на аноде которого окажется

наибольший положительный потенциал относительно других фаз (рис. 2.8).

Рис.2.8. Временные диаграммы работы трехфазного однотактного выпрямителя

Возьмем произвольный момент времени t0, тогда на аноде первого вентиля

оказывается наиболее высокий потенциал и он открывается. Под действием U2I ток

будет протекать через первую фазу, второй вентиль, сопротивление нагрузки Rн к

нулевой точке.

Напряжение на нагрузке равно мгновенному значению U2I. До момента t1 напряжение

во второй фазе тоже положительно, но меньше чем в первой, поэтому потенциал

анода второго вентиля оказался ниже потенциала его катода и второй вентиль

закрыт.

Начиная с момента t2, начинает работать третья фаза и т.д. Каждая фаза работает

в течение части периода 2p/3. Напряжение на выходе выпрямителя U0 в любой момент

времени равно мгновенному значению напряжения фазы вторичной обмотки, в которой

открыт вентиль, т.е. выпрямленное напряжение U0 представляет собой огибающую

напряжения U2 вторичных обмоток, а так как I0=U0/R0, то эта же кривая в другом

масштабе является кривой тока. Причем ток по каждой фазе протекает в течение

трети периода. Возьмем за начало отсчета времени момент, когда напряжение U2 в

фазе двойной обмотки равно Um и рассмотрим интервал времени =/m (здесь m=3).

Тогда постоянная составляющая выпрямленного напряжения определится из выражения

(2.4)

или, переходя к действующему значению U2, имеем:

U0 = (3U2 )/2=1,17U2 , (2.5)

соответственно,

(2.6)

Действующее значение тока двойной обмотки трансформатора и вентиля, (т.к. он

течет только часть первого полупериода):

(2.7)

Если сравнивать между собой I0 и I2, то проделав соответствующие преобразования,

получим I0=I2/0,58 =1,752I2. Обратное напряжение на вентиль в этой схеме

описывается кривой, определяемой разностью двух синусоидальных фазных напряжений.

Так как разность двух фазных напряжений равна линейному напряжению, то

максимальная величина обратного напряжения равна амплитуде линейного напряжения

вторичной обмотки трансформатора, т.е. Uобр = Um=UЛ= U2. Частота пульсаций

выпрямленного напряжения fn=mfc=3fc.

В однотактных схемах выпрямления ток каждой фазы вторичной обмотки

трансформатора содержит постоянную составляющую равную (1/m)I0, которая создает

постоянную составляющую магнитного потока Ф0, не компенсируемую током первичной

обмотки. В результате в таких схемах создается вынужденное намагничивание

магнитопровода трансформатора. Ток I0 создает намагничивающую силу F0=(I0/m)W0,

а Ф0=F0/Rm, где Rm - магнитное сопротивление на пути этого потока. Т.к. по

сердечнику трансформатора этот поток замкнуться не может, потому что его силовые

линии направлены навстречу друг другу, он замыкается по воздуху вокруг стержней,

т.к. Rm воздуха велико, то Ф0 мал. Но обычно трансформатор заключен в

магнитопроводящий кожух, или вблизи от него есть металлические (магнитопроводящие)

тела, тогда этот поток Ф0 может оказаться значительным и может нарушить

нормальный режим работы трансформатора. Кроме того, при изменении нагрузки

выпрямления изменяется ток во вторичных обмотках и соответственно интенсивность

вынужденного намагничивания. Это особенно заметно в однофазных однотактных

схемах выпрямления, где ток пульсирует с малой частотой, вызывая возникновение

пульсирующего магнитного потока Ф0. Эти потоки вредны не только тем, что

дополнительно нагружают магнитопровод и вызывают в нем дополнительные потери, но

и тем, что создают пульсирующие магнитные поля рассеяния, которые являются

помехами для рядом работающих устройств. Это особенно важно при работе

выпрямителей средней и большой мощности.

Для борьбы с вынужденным намагничиванием делают рациональное размещение обмоток

на стержнях магнитопровода, т.е. обмотку соединяют в зигзаг (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Соединение обмотки в зигзаг

Для этого вторичную обмотку каждой фазы делают из двух катушек, эти катушки

размещают на разных стержнях и включают последовательно встречно. При этом

каждая половина обмотки создает магнитные потоки, направленные встречно и

компенсирующие друг друга, поэтому вынужденное намагничивание трансформатора

сильно уменьшается или вовсе отсутствует. Либо подбирается такая схема

выпрямления, которая не создает вынужденного намагничивания. Либо подбирают

такое размещение обмоток, при котором вынужденное намагничивание сильно

уменьшается или совсем устраняется.

2.3. Двухтактные схемы выпрямления

Мостовая схема выпрямления

Иначе ее называют однофазной мостовой схемой Герца. В ней в течение одного полу

периода выпрямленный ток течет через B1, RН, B3 и замыкается на вторичной

обмотке трансформатора (рис. 2.10).

При обратной полярности ток замкнется через B2, RН, B4 и вторичную обмотку (рис.

2.11). Т.е. ток через нагрузку и вторичную обмотку трансформатора течет в

течение всего периода. Постоянная составляющая тока через RН равна (при условии,

что Im=Um/RН):

(2.8)

, (2.9)

то есть в 2 раза больше, чем в однофазной однотактной схеме. Так как ток по

вторичной обмотке трансформатора течет весь период, то действующее его значение

определится, как

(2.10)

тогда, сравнивая I0 и I2, получим

. (2.11)

а) б)

Рис. 2.10. Мостовая схема выпрямления (а) и временные диаграммы (б)

Так как за каждый полупериод работают попарно два вентиля, то действующее

значение тока через каждую пару последовательно соединенных вентилей равен: IB =

I2/2.

Для этой схемы m=2, fП =2 fС, обратное напряжение на запертых вентилях

определится как UОБР=Um=U2, т.к. вентили подключены к U2 параллельно.

Двухтактная схема выпрямления с нулевым выводом вторичной цепи трансформатора

Эту схему иначе называют двухфазной однотактной, т.к. за период выпрямленного

тока в каждой половине вторичной обмотки трансформатора протекает один импульс

тока, но как обычно в технике переменного тока не применяется двух фазный ток из-за

трудностей его генерирования и отсутствия сетей двух фазного тока, то чаще

применяется первое название (рис. 2.11а).

В этой схеме обе половины вторичной обмотки участвуют в работе выпрямителя

поочередно. В первый полу период цепь выпрямленного тока замыкается через B1, RН

и полу обмотку трансформатора, во второй полу период – через B2, RН и другую

полу обмотку трансформатора. По нагрузке ток протекает в течение всего периода с

одинаковой полярностью (рис. 2.11б).

В этой схеме постоянная составляющая напряжения на нагрузке:

(2.12)

так как m=2, U2=U’2=U”2, то

I0 = U0 / RH = 0,9 U2 / RH . (2.13)

Действующее значение тока каждой половины вторичной обмотки трансформатора

(2.14)

а) б)

Рис. 2.11. Двухтактная схема выпрямления с нулевым выводом вторичной цепи

трансформатора (а) и временные диаграммы работы

Частота пульсаций на нагрузке fn = 2 fc. Закрытый вентиль находится под обратным

напряжением, равным разности потенциалов между концами вторичной обмотки

трансформатора. Максимальное значение этой разности потенциалов равно удвоенному

амплитудному значению напряжения на одной половине вторичной обмотки, т.е.

UОБР = 2Um = 2U2, (2.15)

значит в этой схеме UОБР на запертом вентиле в 2 раза больше, чем в мостовой.

Трехфазная двухтактная схема (схема Ларионова)

При этом вторичную обмотку трансформатора можно включать и звездой и

треугольником, но чаще она включается в звезду, так как при этом есть

возможность использовать нулевую точку для снятия половинного выпрямленного

напряжения (рис. 2.12).

Каждая фаза обмотки трансформатора подключается к аноду одного и к катоду

другого вентиля. 3 вентиля соединяются между собой в общую точку анодами (1, 3,

5) И образуют анодную группу вентилей, создающую (-) полюс на выходе, а 3 других

вентиля образуют катодную группу вентилей и (+) полюс на выходе.

Рис. 2.12. Трехфазная двухтактная схема (схема Ларионова)

В анодной группе проводящим будет тот вентиль, на катоде которого наибольший

отрицательный потенциал, а в катодной группе – тот, на аноде которого будет

наибольший положительный потенциал. В любой момент времени ток протекает через 2

последовательно соединенных вентиля, сопротивление нагрузки и обмотки двух фаз.

Работа каждой пары вентилей происходит в течение 1/6 периода. Порядок следования

фаз определяет, через какие пары вентилей протекает ток. Если изменить этот

порядок, то изменится сочетание последовательно соединенных вентилей. В течение

каждого периода выпрямляемого тока через каждую фазу трансформатора протекает 2

импульса тока положительной полярности в течение 1/3Т (каждый импульс длиться Т/6)

и 2 импульса тока отрицательной полярности с той же длительностью (рис. 2.13). Т.о.,

каждая фаза трансформатора работает в течение 2Т/3, а каждый вентиль работает Т/3.

Напряжение на выходе выпрямителя равно огибающей, полученной при выпрямлении 6-ти

тактов напряжения (m=6 для этой схемы), а величина его равна мгновенному

значению линейного напряжения между двумя фазами в период открывания вентилей в

этих фазах.

Рис. 2.13. Временные диаграммы работы трехфазной двухтактной схемы выпрямления

Величина постоянной составляющей выпрямленного напряжения определяется, как

U0 = (m/p)U2 Sin (p/m) = (6/p)U2Sin (p/6) = 2,34 U2 (2.16)

аналогично можно получить:

I0 = 1.22I2 , (2.17)

где I2 - действующее значение тока вторичной обмотки каждой фазы трансформатора.

Частота пульсаций выпрямленного напряжения и тока fn = 6fc. Обратное напряжение

на каждом вентиле

UОБР=2,457U2. (2.18)

Сравнительная оценка схем выпрямления

Для выпрямителей важно знать величину мощности постоянного тока P0=U0I0,

расходуемой в нагрузке. Но при одной и той же P0 мощность, потребляемая

трансформатором выпрямителя из сети будет зависеть от схемы выпрямителя. Поэтому

мы говорим о коэффициенте использования трансформатора КТР и коэффициентах

использования его первичной и вторичной обмоток К1 и К2 , так как они определяют

экономические и энергетические показатели выпрямителя.

КТР = P0 / SТР, SТР = S1 + S2, (2.19)

К1 = P0 / S1, S1 = n1 U1 I1, (2.20)

К2 = P0 / S2, S2 = n2 U2 I2, (2.21)

так как n1 может быть не равно n2, то эти коэффициенты могут сильно различаться.

Для сравнения рассмотрим эти коэффициенты для разных схем выпрямления (таблица 2.1).

Таблица 2.1

Cхемы выпрямления

K1

K2

KТР

1-тактные:

1- фазная

3-х фазная

2-х фазная

2-х тактные:

1-фазная (со средним выводом)

1-фазная мостовая

3-х фазная мостовая (Ларионова)

0.37

0.83

0.83

0.83

0.83

0.95

0.29

0.67

0.57

0.57

0.83

0.95

0.33

0.75

0.68

0.68

0.83

0.95

Из сравнения видно, что в однотактных схемах выпрямления вторичная обмотка

трансформатора используется хуже первичной, так как в этих трансформаторах

существует вынужденное намагничивание сердечника. Кроме того, если n2 > n1, то

это тоже сильно ухудшает использование вторичных обмоток. В мостовых двухтактных

схемах этого явления нет, поэтому коэффициенты использования трансформатора и

его обмоток одинаковы. Кроме того, в мостовых двухтактных схемах меньше обратное

напряжение на вентиль. Но их недостаток использование большого числа вентилей.

При выборе схемы выпрямительного устройства учитываются ее эксплуатационные

свойства и присущие ей количественные соотношения токов, напряжений, мощностей,

так как они определяют стоимость, габариты и вес устройства. Сравнительная

оценка разных схем ведется при одинаковых для всех схем условиях. Так мы до сих

пор рассматривали выпрямители без потерь и при активной нагрузке, так как при

других видах нагрузки меняются соотношения токов и напряжений в схемах

выпрямления. Области применения схем выпрямления определяются допустимым

коэффициентом пульсации, количеством вентилей и тем, насколько хорошо

используется трансформатор. Так однофазная однотактная схема выпрямления,

наиболее простая, применяется на выходные мощности до 15 Вт, если нагрузка

допускает большой коэффициент пульсаций. Ее достоинством является простота,

минимальное число элементов и возможность работать без трансформатора.

Недостаток - малая fn и большой КП.

Однофазная мостовая схема применяется при мощности до 300 Вт, если выпрямленное

напряжение относительно невелико, а ток нагрузки велик. Ее достоинства –

повышенная частота пульсаций, хорошее использование трансформатора, возможность

работы без трансформатора, а недостаток – много вентилей, поэтому увеличивается

падение напряжения в вентильном комплекте.

Однофазная двухтактная со средней точкой применяется при малых токах нагрузки и

высоком выпрямленном напряжении (при одинаковом U2 в 2 раза больше, чем в

мостовой схеме), но на малые мощности (до 50 Вт). Достоинства схемы в

минимальном числе вентилей, повышенной частоте пульсаций большем выпрямленном

напряжении. Недостатки – плохое использование трансформатора и усложненная его

конструкция, высокое обратное напряжение на вентиле.

При достаточно большой мощности постоянного тока лучше использовать многофазные

схемы. В выпрямителях средней мощности применяется в основном схема Миткевича –

трехфазная однотактная. Ее достоинства большая частота и меньшая величина

пульсаций, малое падение напряжения на открытом вентиле, поэтому ее применяют

при выпрямленных низких напряжениях. Недостатки – плохое использование

трансформатора, наличие вынужденного намагничивания сердечника трансформатора,

большое обратное напряжение на вентиле. При большой мощности постоянного тока

используется трехфазная двухтактная схема (Ларионова). Ее достоинства – хорошее

использование трансформатора, большая частота пульсаций и ее маленькая амплитуда,

отсутствие вынужденного намагничивания трансформатора и возможность применять

любую схему соединения обмоток трансформатора. Недостаток - большое число

вентилей.

Более сложные схемы выпрямления используются очень редко, так как их выходные

параметры улучшаются несущественно, а затраты требуются гораздо большие.